循跡小車(chē)的追蹤與避障*

王宇洋，許 志，楊 柳，張家一，張曉亮

(太原科技大學(xué)，山西太原030024)

隨著人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，智能化的電子玩具深受人們的喜愛(ài)，尤其是各種智能小車(chē)，由于這類(lèi)玩具具有較好的交互性，可控性，能夠給人們帶來(lái)很好的娛樂(lè)以及參與其中的體驗(yàn)，高科技智能化的電子類(lèi)玩具逐漸成為市場(chǎng)的主流。與此同時(shí)，智能小車(chē)可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面，尤其在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。因此，智能化小車(chē)的研究不僅具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，還具有極為廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

循跡小車(chē)左右車(chē)輪各用一個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目標(biāo)，在車(chē)體前按照一定方式安裝七個(gè)灰度傳感器，將傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)送到CPU，通過(guò)CPU控制電機(jī)所轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的循跡。在小車(chē)車(chē)體上左右安裝兩個(gè)紅外傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到前面有物體時(shí)，即實(shí)現(xiàn)追蹤功能，當(dāng)左邊一個(gè)傳感器檢測(cè)到時(shí)，即向左轉(zhuǎn)，同理，右邊一個(gè)檢測(cè)到時(shí)，即向右轉(zhuǎn)。若要讓其實(shí)現(xiàn)避障功能，則需改變?cè)汲绦颍暨@兩個(gè)紅外傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，即向右轉(zhuǎn)(也可向左轉(zhuǎn))。自動(dòng)循跡小車(chē)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)循跡小車(chē)控制系統(tǒng)框圖

2 灰度傳感器排布與循跡實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用的灰度傳感器為ITR9909，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得其離地面大約1.5 cm時(shí)，高低電平電壓差最大，所以安裝時(shí)，離跑道高度為1.5 cm。

本系統(tǒng)灰度排布為兩排，前排三個(gè)，后排四個(gè)。前排每一個(gè)與后相應(yīng)兩個(gè)占3 cm(循跡黑線的寬度)，如圖2，若a1，b2檢測(cè)到黑線時(shí)，小車(chē)速度的80%向左微轉(zhuǎn)，若a1，b1檢測(cè)到黑線時(shí)，小車(chē)以原速度的50%向左轉(zhuǎn)，只有b1檢測(cè)到時(shí)，小車(chē)以原速度的30%向左轉(zhuǎn)。若a2，b3檢測(cè)到黑線時(shí)，小車(chē)以原速度的80%向右微轉(zhuǎn)，a3，b4檢測(cè)到時(shí)，則以原速度50%向右轉(zhuǎn)，只有b4檢測(cè)到時(shí)，則以原速度30%向右轉(zhuǎn)。其它情況小車(chē)即直走?；叶葌鞲衅髋帕蟹绞饺鐖D2所示。

圖2 灰度傳感器排列方式

3 接近開(kāi)關(guān)排布及其追蹤，避障實(shí)現(xiàn)

根據(jù)障礙物距離接近開(kāi)關(guān)的距離，產(chǎn)生不同的電平信號(hào)并送至單片機(jī)，隨后由單片機(jī)控制電機(jī)做出相應(yīng)轉(zhuǎn)向，保證小車(chē)跟蹤物體或者遇到障礙物時(shí)轉(zhuǎn)彎。兩只接近開(kāi)關(guān)正向、水平關(guān)安裝在車(chē)頭正前方。根據(jù)接近開(kāi)關(guān)的原理可知，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)其與障礙物之間的距離大于30 cm時(shí)，輸出端輸出高電平(約為3.5 V)，小于30 cm時(shí)，輸出低電平(約為0.5 V)。接近開(kāi)關(guān)排布如圖3所示。

圖3 接近開(kāi)關(guān)排布

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

小車(chē)左右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)。L298N的輸入端和使能端接收來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)，控制電機(jī)的通斷以及正反轉(zhuǎn)，還可以通過(guò)向電機(jī)控制端輸入不同占空比的方波信號(hào)來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速(PWM)，其具體管腳連接如圖4所示。其中，input端口接控制信號(hào)，output端口接步進(jìn)電機(jī)兩端。當(dāng)輸出端B1、B2=01時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)B1、B2=10時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)B1、B2=00時(shí)，小車(chē)停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)輸出端A1、A2=01時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng) A1、A2=10時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)A1、A2=00時(shí)，小車(chē)停止運(yùn)動(dòng)。

圖4 L298與電機(jī)接線圖

5 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

5.1 傳感器檢測(cè)情況與驅(qū)動(dòng)電路分段控制

首先，紅外光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)前方是否有移動(dòng)物體，若兩光電開(kāi)關(guān)都未檢測(cè)到物體，此時(shí)小車(chē)開(kāi)始循跡。由于實(shí)際的循跡黑線的弧度不一樣，所以我們用七個(gè)灰度傳感器來(lái)反映實(shí)際循跡黑線的彎度情況，同時(shí)應(yīng)用單片機(jī)產(chǎn)生PWM占空比來(lái)配合不同的彎度，進(jìn)而對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)以不同的速度運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)適度轉(zhuǎn)彎。(1)當(dāng)a1和b2檢測(cè)到黑線時(shí)，此時(shí)說(shuō)明黑線的彎度比較小，單片機(jī)輸出PWM占空比為80%，其輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路從而小車(chē)實(shí)現(xiàn)微小左轉(zhuǎn)彎。(2)當(dāng)a1和b1檢測(cè)到黑線時(shí)，說(shuō)明彎度較大，單片機(jī)輸出PWM占空比為50%，此時(shí)小車(chē)實(shí)現(xiàn)較大轉(zhuǎn)彎。(3)當(dāng)僅b1檢測(cè)到時(shí)，說(shuō)明此時(shí)小車(chē)彎度很大，這時(shí)單片機(jī)輸出PWM為30%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)很大的轉(zhuǎn)彎;由于傳感器排布左右對(duì)稱，所以右邊情況類(lèi)似。其次，當(dāng)紅外開(kāi)關(guān)檢測(cè)到前方有移動(dòng)物體時(shí)，此時(shí)程序進(jìn)入追蹤模式，由于物體移動(dòng)比較快，所以我們不再用PWM進(jìn)行平緩轉(zhuǎn)彎，而是直接由電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的快速轉(zhuǎn)彎。(4)當(dāng)僅左邊紅外檢測(cè)到物體時(shí)，單片機(jī)直接產(chǎn)生0、1信號(hào)來(lái)讓左電機(jī)反轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速左轉(zhuǎn)。(5)當(dāng)僅右邊紅外檢測(cè)到物體時(shí)，單片機(jī)直接產(chǎn)生0、1信號(hào)來(lái)讓右電機(jī)反轉(zhuǎn)，左電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速右轉(zhuǎn)。(6)當(dāng)左右同時(shí)檢測(cè)到時(shí)即停轉(zhuǎn)，使小車(chē)停下，程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

最后，若對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)的更改即能實(shí)現(xiàn)避障，即當(dāng)紅外光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到物體時(shí)，使小車(chē)轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度即可實(shí)現(xiàn)避障。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于單片機(jī)控制的智能循跡，追蹤，避障小車(chē)的設(shè)計(jì)制作方法，它以STC89C52為控制核心，直流減速電機(jī)為執(zhí)行元件，IR9909型反射式傳感器作為循跡元件，接近開(kāi)關(guān)作為避障與追蹤元件。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該小車(chē)能自動(dòng)循跡，追蹤與避障，并能穩(wěn)定運(yùn)行。該小車(chē)智能化小車(chē)的研究不僅具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，還具有極為廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。